基于AnyLogic的三峽船舶通過能力優(yōu)化研究

(閩江學(xué)院 福建 福州 350108)

一、引言

隨著三峽的船舶過閘需求日益增長，有限的船閘通過能力導(dǎo)致船舶過壩效率出現(xiàn)問題，制約整個(gè)流域運(yùn)輸?shù)男剩煌瑫r(shí)有限的錨地容量也使得船舶數(shù)量在三峽近壩河段待閘積壓的情況成為常態(tài)。因此如何緩解待閘錨地的壓力，提升整體船舶過壩效率已然成為通航管理部門亟需解決的問題。國內(nèi)的劉敬賢等分析了航道系統(tǒng)和船舶實(shí)體的特征，根據(jù)船舶的行為，建立了航道仿真模型，輸入某海港的實(shí)際數(shù)據(jù)來進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。國外也有很多學(xué)者基于仿真對(duì)交通進(jìn)行了大量的研究。Kia M.等利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，分析提出服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和模型參數(shù)以及增加通過能力的方法。

而本文運(yùn)用 AnyLogic仿真軟件對(duì)船舶從三峽壩前到通過三峽大壩的過程進(jìn)行虛擬化呈現(xiàn)，采用理論與仿真相結(jié)合的方式設(shè)置船舶過閘方案，即構(gòu)建船舶過閘效率優(yōu)化模型，提升三峽服務(wù)水平，帶來一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

二、三峽船閘通過能力仿真分析

(一)船閘通過能力定義和分析方法

1.船閘通過能力定義

船閘通過能力是指在特定邊界條件下的船閘年可通過貨物量，其不是一個(gè)固定的數(shù)據(jù)，而是隨著可變條件的變化而變化的。

我國現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ305-2001)(以下簡稱“《規(guī)范》”)對(duì)船閘通過能力計(jì)算有具體規(guī)定，規(guī)定其計(jì)算方法如下：

(2.1.1-1)

(2.1.1-2)

(2.1.1-3)

式中：P1為單向每年過閘船舶總載重噸位(t)；P2為單向年過閘客貨運(yùn)量(t)；n為日平均過閘次數(shù)；n0為日非運(yùn)客、貨船過閘次數(shù)；N為年通航天數(shù)(d)；G為一次過閘平均載重噸位(t)；α為船舶裝載系數(shù)；β為運(yùn)量不均衡系數(shù)；τ為日工作小時(shí)(h)；T為一次過閘時(shí)間(min)。

2.船閘通過能力影響因素分析

船閘通過能力影響因素有以下幾大類構(gòu)成：

因素具體指標(biāo)2個(gè)中間參數(shù)一次過閘平均噸位一次過閘平均時(shí)間船閘尺度因素有效長度閘室有效寬度閘室門檻水深船閘工藝因素開閘門時(shí)間關(guān)閘門時(shí)間灌水時(shí)間泄水時(shí)間船閘平面布置因素引航道的布置形式待閘區(qū)域與閘室之間的距離過閘船舶組成因素過閘船型設(shè)計(jì)尺度船舶組合比例船閘運(yùn)營關(guān)鍵參數(shù)日工作小時(shí)日閘次數(shù)年通航天數(shù)運(yùn)量不均衡系數(shù)船舶性能以及船舶航行安全要求船舶進(jìn)閘速度船舶進(jìn)閘之間的安全距離(或稱為間隔時(shí)間)船舶出閘速度船舶出閘安全距離(或間隔時(shí)間)船舶在各閘室間的航行速度船閘運(yùn)行模式單向運(yùn)行雙向運(yùn)行

3.船閘服務(wù)水平指標(biāo)

本論文從船舶與船閘兩個(gè)角度出發(fā)，采用船舶平均等待時(shí)間和船閘有效利用率2個(gè)船閘服務(wù)水平指標(biāo)對(duì)船閘通過能力進(jìn)行了分析研究。

(1)船舶平均等待時(shí)間

船舶平均等待時(shí)間指的是從船舶到達(dá)錨地開始至離開錨地時(shí)的時(shí)間段為船舶平均等待時(shí)間。船舶平均等待時(shí)間是從船舶過閘的角度對(duì)船閘服務(wù)水平進(jìn)行判別。船舶平均等待時(shí)間的長短反映了船閘服務(wù)水平，時(shí)間越短，則船閘服務(wù)水平越高；時(shí)間越長，則船閘服務(wù)水平越低。

(2)船閘有效利用率

船閘有效利用率是指船閘一年的實(shí)際運(yùn)行工作時(shí)間與一年中可運(yùn)行時(shí)間的比值。船閘有效利用率越高，說明船閘越繁忙，船舶到達(dá)后等待過閘的時(shí)間就會(huì)長，船舶接受船閘過閘服務(wù)的服務(wù)水平越低；船閘有效利用率低，則反映船閘閑置的時(shí)間長，船舶等待過閘的時(shí)間就會(huì)變短，船舶的過閘服務(wù)水平就越高。

三、實(shí)例分析

(一)2013年三峽船閘實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

1.船舶分噸級(jí)統(tǒng)計(jì)

表2-1 2013年三峽船閘船舶分類統(tǒng)計(jì)

2.過閘船舶尺度統(tǒng)計(jì)

表2-2 2013年在三峽過閘的船型尺度統(tǒng)計(jì)分析

3.三峽船閘的相關(guān)運(yùn)作設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間

三峽船閘為五級(jí)船閘，一般是單向運(yùn)行方式。船舶過閘通過第一個(gè)閘室的過程是船閘通過能力的控制工況，因此，本項(xiàng)研究主要針對(duì)這個(gè)工況。

表2.3 三峽船閘相關(guān)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間表

4.船舶進(jìn)閘時(shí)間分析

表2-4 三峽船舶進(jìn)閘時(shí)間分析表

5.船舶移泊時(shí)間分析

表2-5 三峽船舶移泊時(shí)間分析表

6.船舶過閘時(shí)間分析

三峽的過閘方式為雙線五級(jí)船閘的單向過閘，故一次過閘船隊(duì)的時(shí)間=通過一個(gè)閘室的總運(yùn)行時(shí)間+船舶進(jìn)閘總時(shí)間+船舶移泊(移閘)總時(shí)間。

表2-6 船舶過閘時(shí)間分析

四、AnyLogic仿真

(一)建模流程及圖示

利用AnyLgoc建立三峽虛擬情景，根據(jù)搜集的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)置船舶的系列參數(shù)。根據(jù)以上船舶分布情況設(shè)定概率。

(二)結(jié)果分析

1.對(duì)2013年過閘的船舶組合進(jìn)行通過能力模擬試驗(yàn)

利用AnyLogic軟件模擬了基于隨機(jī)排隊(duì)原則的三峽船舶過閘過程。該模擬試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4組試驗(yàn)，分別是基于2013年實(shí)際過閘船型組合(包含客船)，分別向系統(tǒng)輸入5500萬 t、6000萬 t、6250萬 t和6500萬 t，模擬結(jié)果見表4-1和圖4-1。

表4-1 2013年三峽船閘的過閘船型組合數(shù)據(jù)

圖4-1 服務(wù)水平與單向船閘過閘貨物量的關(guān)系

2.基于2013年的客船情況對(duì)三峽船閘通過能力的影響分析

根據(jù)資料顯示，2013年的實(shí)際過閘船舶中含有約4%的客船，這些客船占用閘室有效面積，影響了船閘通過能力。為了分析客船對(duì)三峽船閘通過能力影響，在實(shí)際船型組合中，將客船剔除掉，各噸級(jí)和各尺度的船舶組合比例不變。模擬試驗(yàn)結(jié)果見表4-2和圖4-2。

表4-2 模擬試驗(yàn)結(jié)果

圖4-2 船閘過閘貨物量與服務(wù)水平指標(biāo)關(guān)系曲線

分析表4-2和圖4-2，剔除掉客船影響，發(fā)現(xiàn)2013年三峽船閘極限通過能力仿真中，不含客船組合的實(shí)際過閘貨物量都比含有客船組合的高。

為方便分析客船對(duì)三峽船閘通過能力影響，將數(shù)據(jù)整理匯總成對(duì)比分析表，詳見表4-3與4-4。

表4-3 2013年客船情況對(duì)三峽船閘通過能力影響比較分析

表4-4 2013年客船對(duì)船閘服務(wù)水平的影響對(duì)比分析表

圖4-3 2013年客船對(duì)船閘利用率的影響對(duì)比圖

圖4-4 2013年客船對(duì)船舶平均等待時(shí)間的影響對(duì)比圖

由上述表格可看出，在剔除掉客船的情況下，貨船一次過閘額定噸位、平均一次過閘船舶艘次和閘室利用率都有所提高，從而提升三峽船閘通過能力。從船舶平均等待時(shí)間指標(biāo)來看，含客船的組合的平均等待時(shí)間比不含客船的組合高；從船閘有效利用率指標(biāo)來看，含客船的船舶組合的船閘有效利用率比不含客船的要高。所以，適當(dāng)?shù)靥蕹痛M(jìn)行組隊(duì)過閘有利于提高船閘服務(wù)水平(即船舶平均等待時(shí)間與船閘有效利用率)。

五、小結(jié)

采用AnyLogic軟件對(duì)2013年三峽船舶過閘的系列數(shù)據(jù)并模擬分析。模擬試驗(yàn)結(jié)果得到，如果禁止客船通過三峽船舶船閘，基于三峽船閘2013年過閘貨船船型情況，三峽船閘極限通過能力提高了5%，說明這樣大大提高三峽船閘通過能力，降低船舶平均等待時(shí)間，提高船閘服務(wù)水平。但在模擬中存在一些理想性假設(shè)，必要時(shí)可進(jìn)一步優(yōu)化研究。